Прогнозирование океана — моделирование для будущего

Океан — это самая большая экосистема Земли. Он играет важную роль в регулировании погоды и климата на планете. Кроме того океан замедляет глобальное потепление за счёт поглощения CO₂ и своей огромной теплоёмкости.

Рисунок 1. Поверхностный слой океана (0–40  м) поглощает атмосферный углерод, который переносится в глубь океана в определённых областях около полюсов (отмеченные как поглотители углерода), где происходит взаимодействие перемешанного и глубинного слоёв океана. (Карта подготовлена Робертом Симмоном, НАСА на основе IPCC 2001 и Rahmstorf 2002)

Организация Объединённых Наций указывает, что 40% населения земного шара — почти 2,4 миллиарда человек — живёт в пределах 100 км от побережья, и оценивает размер прибрежной экономики в 3–6 триллионов долларов США в год¹. В прибрежных районах имеется важная инфраструктура, такая как порты, гавани, опреснительные установки, электростанции, заборные устройства хозяйств аквакультуры и т. д. Океан даёт пищу, способствует торговле и играет важную роль во многих культурах коренных народов. Знание его физических характеристик и жизни океанских биологических организмов способствует развитию туризма, рыболовства, морского транспорта, добычи возобновляемых и невозобновляемых источников энергии и многому другому. Сам океан может быть источником минералов и медицинских ингредиентов.

Таким образом, нельзя недооценивать важность морской и прибрежной безопасности и устойчивости океана к внешним воздействиям. Климатическая информация необходима для направления будущего развития прибрежных районов и адаптации существующей инфраструктуры для смягчения воздействия опасной погоды на море и в океане. Заблаговременные предупреждения о стихийных опасных явлениях с учётом воздействий, а также предсказания и проекции климата помогают прибрежным общинам и предприятиям избегать риски и повышать устойчивость к внешним воздействиям.

Сам океан является важнейшим компонентом системы Земля в проекциях изменения климата. Понимание океана имеет фундаментальное значение для понимания планеты и изменений, которые происходят на ней в результате деятельности человека. Сегодня на экосистему океана и его физические характеристики оказывает влияние деятельность человека, и последствия этого ощутят все. Не может быть никаких задержек в дальнейшем углублении знаний и понимании океана, его взаимодействии с атмосферой и воздействии человечества на океан.

История

Исторически сложилось так, что исследование и освоение океана шло рука об руку с ростом знаний о нём и атмосфере над ним. По инициативе океанографа, метеоролога и астронома Мэтью Мори, в то время лейтенанта военно-морского флота США, в Брюсселе в 1853 году была проведена Первая международная метеорологическая конференция с целью создания единой системы метеорологических наблюдений на море. Конференция проложила путь к созданию 20 лет спустя Международной метеорологической организации, предшественницы ВМО.

Тот же Мэтью Мори был одним из первых, кто опубликовал работы по изучению метеорологии океана в книге под названием «Физическая география моря и его метеорология» (Maury, 1864). Его взгляды на ветры и течения с учётом условий морской среды позволили, помимо прочего, сократить время пересечения Мирового океана, что привело к экономическим выгодам и выгодам с точки зрения безопасности. Действительно, его новаторская работа заложила основу современной морской метеорологии. Сегодня по-прежнему существует острая необходимость в том, чтобы океанологи продолжали поиски, начатые Мори, и делились своими знаниями с теми, кто далеко и рядом, со всеми, кто получает пользу от океана или испытывает его воздействие.

Поверхностные дрейфовые и обычные течения в океанах (Источник: НУОА)

Оперативная океанография

Оперативную океанографию можно рассматривать как предоставление повседневной океанографической информации, необходимой для принятия решений. Основными компонентами оперативных океанографических систем являются сеть наблюдений, выполняемых с разных платформ, система управления данными, прогностическая система, способная усваивать данные, и система распространения /обеспечения доступности. Эти компоненты являются взаимозависимыми и обусловливают необходимость связи и обмена между ними, а в совокупности они обеспечивают механизм, с помощью которого можно получить чёткое представление о состоянии океана в прошлом, настоящем и будущем. Как и в случае с атмосферой, прогнозирование океана охватывает несколько временных масштабов – от часовых и суточных до месячных и сезонных прогнозов.

Достижения в области наблюдений за океаном и систем прогнозирования за последние 20 лет сделали оперативную океанографическую инфраструктуру критически важной для широкого спектра морской деятельности. Для всех прогнозов, временной масштаб которых варьируется от текущего момента (для поддержки безопасности и принятия тактических решений) до сезонных и более долгосрочных временных рамок (для обоснования планирования и деятельности по обеспечению устойчивости от внешних воздействий), нужна оперативная океанография. 
 

Различия между океаном и атмосферой 

Воздух и вода обладают совершенно разными свойствами, что можно проиллюстрировать на примере атмосферы и океана. Вес верхних 10 м океана эквивалентен весу всей атмосферы над ним. Теплоёмкость верхних 2,5 м океана эквивалентна теплоёмкости всей атмосферы над ним. Кроме того, в верхних 2,5 см океана содержится столько же воды, сколько во всей атмосфере над ними. Хотя и атмосфера, и океан регулируются одними и теми же уравнениями движения, их характеристики циркуляции, масштабы движения и свойства существенно различаются. Взаимодействие между этими двумя областями также является одним из фундаментальных процессов, обусловливающих погоду и климат на Земле.

С точки зрения ВМО, прогнозирование состояния океана и атмосферы неразрывно связано через физические процессы, которые всё чаще принимаются во внимание разработчиками моделей в обеих областях. Во временных масштабах менее нескольких дней взаимодействие между океаном и атмосферой оказывает большое влияние на погоду в определённых местах, например у берегов, где наблюдается апвеллинг, особенно когда апвеллинг связан с внезапными изменениями ледяного покрова. Во временных масштабах, превышающих несколько дней, взаимодействие океана и атмосферы вносит вклад в прогнозирование погоды во всех местах, и его важность возрастает с увеличением заблаговременности прогноза. В масштабах сезонных прогнозов и предсказания климата связь океана и атмосферы в системах прогнозирования имеет важнейшее значение.

Прогнозирование погоды, например в отношении формирования и интенсивности тропических циклонов, и долгосрочное прогнозирование, например в отношении сезонных осадков, зависят от температуры и текущих наблюдений в океане (Weller et al., 2019).
 

Состояние прогнозирования океана 

Пример одностраничной сводки состояния океана, полученной с помощью систем реанализа данных об океане Морской службы программы «Коперник» Европейского союза (источник: Ежегодный доклад о состоянии океана (von Schuckmann et al., 2019)

Чтобы понять состояние прогнозирования океана, необходимо сначала получить общее представление о текущем состоянии систем прогнозирования океана и международной сети, которая их объединяет, чтобы оценить перспективы будущего совершенствования науки, лежащей в основе прогнозирования океана, возможности системы прогнозирования и потенциальные возможности для дальнейшей интеграции океанических систем в бесшовные модели системы Земля. Высокий уровень океанографических наблюдений, систем прогнозирования и исследований, основных направлений работы, связанной с прогнозированием океана и усвоением данных, моделирования океана, методов проверки прогнозов и оценки систем наблюдений способствует сегодня успешному развитию новых исследований и прикладных областей.

Ключом к любой системе прогнозирования является доступность наблюдений на поверхности океана и с космических платформ в реальном времени. Здесь весьма очевидными становятся важные различия между атмосферой и океаном. С позиций спутникового дистанционного зондирования океан менее прозрачен и, следовательно, менее поддаётся измерению на глубине, чем атмосфера. Следовательно, спутниковая информация по большей части доступна только для самой поверхности океана. Однако спутниковые альтиметры, которые измеряют высоту поверхности моря, являются сильной стороной океанографического дистанционного зондирования. Высота океана отражает интегрированные по глубине процессы между поверхностью и дном океана, а спутниковая альтиметрия позволяет определять крупномасштабные океанские вихри в реальном времени в системах прогнозирования. Кроме того, альтиметрия позволяет отслеживать долгосрочные изменения глубины океана, такие как подъём уровня моря.

Система наблюдений в тропической части Тихого океана (СНТТО), которая измеряет долгосрочные изменения в теплообмене между океаном и атмосферой, была создана в 1980-х годах для улучшения научного понимания явления ЭльНиньо/Южное колебание (ЭНЮК) с целью более точного прогнозирования событий ЭНЮК. С тех пор она предоставляет жизненно важные данные, способствующие, например, улучшению прогнозов ЭНЮК для решений, касающихся сельского хозяйства (Hansen et al., 1998; Chiodi and Harrison, 2017). Системы наблюдения за океаном были разработаны для Атлантического (СНАО) и Индийского океанов (СНИО) по образцу СНТТО. СНТTO также может быть адаптирована для удовлетворения текущих и будущих потребностей в наблюдениях для экспериментальной и оперативной деятельности.

Усвоение данных — Схемы усвоения данных различаются в разных группах прогнозирования океана. Основная цель — минимизировать несовпадение результатов модели с данными наблюдений при соблюдении правил физики. Наблюдения, усвоенные в системах прогнозов состояния океана, теперь включают данные альтиметрии, цвет океана, скорость поверхностных течений, морской лёд и данные с новых платформ, таких как океанские буеры. Многие системы сейчас используют мультимодельные подходы или методы ансамблевого моделирования. Ключевым грядущим изменением в усвоении данных станет появление альтиметра для измерения высоты поверхностного слоя и топографии океана (ПСТО), который будет обеспечивать реальное двухмерное изображение топографии поверхности океана с разрешением примерно 2 км, а не измерения вдоль спутниковых трасс, когда эти трассы располагаются с интервалом в 200 км и разделены во времени.

Краткосрочное предсказание — Краткосрочные предсказания состояния океана охватывают временные рамки от ближайших нескольких часов до десяти дней или более и часто называются прогнозами. В последние годы в прогнозировании состояния океана был достигнут значительный прогресс (Bell et al., 2015, Davidson et al., 2019). Усовершенствования систем прогнозирования включают повышение разрешения (по горизонтали и вертикали), учёт приливов, дрейфа и толщины морского льда, экосистемные подходы, исправление систематических погрешностей при перемешивании и расширение областей использования региональных подходов [например полярные регионы и прогресс в развитии сопряжённого моделирования (сопряжённые модели взаимодействия волн, морского льда и ураганов и др.)].

Краткосрочные и среднесрочные сопряжённые прогнозы лёд–океан–волнение–атмосфера используются для улучшения прогнозов погоды во временном масштабе от трёх дней до двух недель.

Это позволит повысить безопасность оперативной деятельности в море и на побережье за счёт улучшенного прогнозирования экстремальных погодных и климатических явлений, таких как тропические циклоны. Активизация деятельности в высоких широтах также способствует дальнейшему развитию оперативного прогнозирования состояния льда и океана.

Субсезонное и сезонное прогнозирование — В отличие от крупномасштабных атмосферных явлений, которые развиваются в суточных временных масштабах, крупномасштабные океанические явления обычно развиваются во временных масштабах — от недели до месяца — и включают морские волны тепла и колебания уровня моря, которые могут вызвать наводнения при ясной погоде и усугубляют риски наводнений в результате тропических и внетропических циклонов.

Субсезонные-сезонные прогнозы с заблаговременностью более двух недель, но менее одного сезона, в настоящее время выпускаются на регулярной основе с использованием сопряжённых моделей океана и атмосферы. При заблаговременности, превышающей две недели, сопряжение атмосферы и океана способствует, например, предсказуемости муссонных колебаний и колебания Мэддена Джулиана (например Woolnough et al., 2007). Кроме того, спутниковые наблюдения показывают, что температура поверхности моря, обусловленная мезомасштабными вихрями в океане в средних широтах, может влиять на атмосферный планетарный пограничный слой, что может сказываться на предсказуемости траекторий зимних циклонов в субсезонных-сезонных временных масштабах (Saravanan and Chang, 2019).

Субсезонный прогноз региональных колебаний температуры поверхности моря и приповерхностных течений также представляет прямой интерес для широкого круга видов деятельности и предприятий, включая управление рыболовством, морскую добычу полезных ископаемых и морские перевозки.

Прогнозирование прибрежных районов — На территории вдоль побережий директивные органы, несущие ответственность за прибрежные районы с постоянно растущей численностью населения и уровнем урбанизации, используют возможности оперативной океанографии прибрежных районов. Это связано с тем, что оперативная океанография всё в большей степени может предоставлять точную информацию о таких явлениях, как прибрежные речные шлейфы из наносов и биогенных веществ, и помогать прогнозировать возникновение и эволюцию вредоносного цветения водорослей, а также береговую эрозию.

Морской лёд — Морской лёд также считается частью сопряжённой океанской системы. Благодаря своим изоляционным и отражающим свойствам морской лёд регулирует обмен между атмосферой и океаном. В субсезонных-сезонных временных масштабах в системах прогнозирования всё больше учитывается морской лёд либо для улучшения самих морских прогнозов, либо для предоставления специальных прогнозов морского льда. Субсезонный прогноз морского льда также имеет широкое потенциальное применение (например для выбора маршрутов судов), но оно ещё не реализовано в полной мере (Chevallier et al., 2019).

Климатические реанализы и отчёты о состоянии океана — Параллельно с усилиями климатического сообщества по получению результатов реанализов прошлых климатических условий анализ состояния океана направлен на воссоздание условий океана за последние 30 лет в глобальном и региональном масштабах. Трёхмерные анализы прошлого и настоящего состояния океана в масштабах от глобального до прибрежного разрабатываются на основе той же инфраструктуры моделирования и усвоения данных, которая используется для прогнозирования состояния океана. Применяется тот же подход, что и в случае реанализов атмосферы, с использованием имеющихся исторических наблюдений для создания физически согласованных кубических моделей данных. Ежегодный отчёт о состоянии океана (von Schuckmann et al., 2019) Морской службы Программы «Коперник» Европейского союза является ярким примером тщательного анализа полученных за год данных, которые целесообразно анализировать в историческом контексте. Сводный график показывает крупномасштабные тренды основных океанских переменных в различных регионах земного шара.

Передача данных и проверка оправдываемости прогнозов — Передача и распространение информации среди конечных пользователей улучшились. В настоящее время подходы к распространению результатов систем прогнозирования схожи с подходами, используемыми ВМО при распространении продукции численного прогнозирования погоды. Большинство систем прогнозирования состояния океана в настоящее время также участвуют в деятельности по проверке оправдываемости, мониторингу и валидации, чтобы иметь возможность продемонстрировать ценность своей продукции для пользователей.
 

Улучшение прогнозов состояния океана с помощью партнёрств

Десятилетие науки об океане в интересах устойчивого развития Организации Объединённых Наций даёт возможность ещё больше активизировать оперативную океанографию. Десятилетие придаёт импульс международному и национальному океанскому сообществу с тем, чтобы объединиться для расширения сети наблюдений и научных исследований, необходимых для получения всеобъемлющей информации об океане. Ключевая цель Десятилетия — это прогнозируемый океан, когда общество имеет возможности понять текущие и будущие состояния океана.

ВМО и Межправительственная океанографическая комиссия (МОК) ЮНЕСКО давно признали ценность и необходимость в услугах по прогнозированию океана и совместно работали над созданием и пониманием всей цепочки добавления стоимости в области прогнозирования океана. В последние годы Глобальная система наблюдений за океаном (ГСНО)² подчеркнула, что при прогнозировании состояния океана акцент должен быть на предоставлении соответствующего обслуживания в интересах общества. Международное сообщество специалистов по прогнозированию океана сотрудничает через программу OceanPredict, ГСНО, ВМО, МОК, Комитет по спутниковым наблюдениям за Землёй (КЕОС) и инициативу «Голубая планета» Межправительственной группы по наблюдениям за Землёй (ГЕО). Такие партнёрства способствуют обмену идеями и объединяют сообщества специалистов в области изучения океана и атмосферы, а также специалистов по моделированию. Партнёрства на национальном уровне также способствуют предсказанию состояния океана в интересах общества. Примеры правительств Австралии, Канады и США показывают успех сотрудничества между метеорологическими и океанографическими учреждениями.
 

Австралийское партнёрство в области прогнозирования океана БлюЛинк

БлюЛинк — это партнёрство между Австралийским бюро метеорологии (АБМ), Научно-промышленной исследовательской организацией Содружества (КСИРО) и Министерством обороны Австралии и сотрудничающих с ними партнёрами, включая Интегрированную систему морских наблюдений, Группу оборонной науки и технологий, Национальную вычислительную инфраструктуру и университетский сектор.

Оперативная система прогнозов океана БлюЛинк используется для преобразования физических океанографических наблюдений в последовательный анализ и прогнозы. Эти анализы и прогнозы составляют основу информационного обслуживания относительно морской среды и её экосистемы и могут предоставлять граничные данные для прогнозов погоды. Информационное обслуживание БлюЛинк доступно для морской отрасли (промысловое рыболовство, аквакультура, судоходство, нефть и газ, возобновляемые источники энергии), правительственных учреждений (поиск и спасение, оборона, управление прибрежными районами, охрана окружающей среды), а также для других заинтересованных организаций (отдых, водные виды спорта, кустарное и спортивное рыболовство), которые зависят от своевременной и точной информации о морской среде.

По существу, БлюЛинк состоит из трёх взаимосвязанных компонентных систем в глобальном, региональном и прибрежном (прибрежная зона) масштабах. Ключевая научная цель заключается в предоставлении надёжных оперативных прогнозов состояния океана и реанализов мезомасштабной (глобальная система), субмезомасштабной (региональная система) и прибрежной (система прибрежных зон) циркуляции океана во временных масштабах от нескольких дней до недель. Помимо традиционного краткосрочного прогнозирования физических свойств океана (температуры, солёности, высоты поверхности, течений, волн), морская деятельность, такая как управление качеством воды и охрана среды обитания, а также мониторинг климата, всё больше полагаются на оперативные океанографические данные и продукцию.

Типичный пример а) полей реанализа БлюЛинк и b) полей, полученных в результате наблюдений, для Тасманова моря. Цвет показывает ТПМ, стрелки показывают скорость поверхностных течений. (Это сравнение заимствовано из: www.marine.csiro.au/ofam1/bran1/ br3p5_EAC_tv12/20120111.html.)

Партнёрство США в области моделирования океана для системы Земля

Прогноз температуры поверхности моря по ГСПО, день 7-1/2 (Источник: Лаборатория военно-морских исследований США)

В США Национальное управление по исследованию океанов и атмосферы (НУОА) и Министерство военно-морского флота уже более десяти лет сотрудничают с целью разработки и реализации оперативных прогнозов состояния океана. Выходные данные их моделей обеспечивают основу для различных видов обслуживания по прогнозированию метеорологических условий океана для поддержки безопасности морских работ, включая прогнозирование тропических циклонов, поиск и спасение, реагирование на чрезвычайные морские экологические ситуации, такие как разливы нефти, и работ в маргинальной зоне морского льда.

Военно-морские силы США начали использовать модели глобальной циркуляции океана в 1999 году (Rhodes et al., 2002). Нынешняя версия Глобальной системы прогнозирования океана (ГСПО) ВМФ, введённая в действие в 2020 году, объединяет Гибридную координатную модель океана с Объединённой моделью кодов морского льда (ОМКМЛ). В 2021 году ВМФ будет эксплуатировать ГСПО с разрешением 1/25 градуса вместе с ОМКМЛ и с охватом приливов.

НУОА ввело в эксплуатацию свою глобальную систему прогнозирования океана в реальном времени (ГСПОРВ) в 2011 году. Первоначально на основе разработки ГСПО ВМФ США НУОА также включило в ГСПОРВ Систему усвоения прибрежных океанических данных ВМФ (СУПОД). ГСПОРВ версии 2.0, введённая в эксплуатацию в декабре 2020 года, включила обновлённую систему усвоения океанических данных НУОА, ГСПОРВ-УД.

В 2017 году в рамках Проекта по улучшению прогнозов ураганов НУОА ввело в эксплуатацию новую сопряжённую модель погоды и океана в региональном масштабе. Включение ураганов в мультимасштабную негидростатическую сопряжённую модель океана (МНСМО) обеспечивает для прогнозистов методические рекомендации по их интенсивности и траектории движения на срок от 0 до 5 дней для поддержки официальной содержащей предупреждения и прогнозы продукции Национального центра ураганов/Регионального специализированного метеорологического центра (РСМЦ) в Майами. Как и МНСМО, оперативная модель метеорологических исследований и прогнозов ураганов также использует сопряжённые состояния океана, заданные с использованием начальных и граничных условий из ГСПОРВ.

Глобальная аномалия температуры поверхности моря по прогнозу ГСПОРВ, день 8 (Источник: НУОА)

Подобные усилия, являющиеся лишь частью усилий США по оперативному моделированию океана, определяют развитие возможностей для полностью сопряжённого прогнозирования системы Земля. В рамках национальных усилий, закреплённых в законодательных актах, таких как Закон об инновациях в области погодных исследований и прогнозирования от 2017 года, НУОА сотрудничает с организациями национальной метеорологической отрасли — государственными учреждениями, научными кругами и частным сектором — для улучшения своего численного прогнозирования погоды. НУОА осуществляет это через Центр инноваций в области прогнозирования системы Земля (ЦИПСЗ), привлекая отрасль к ускорению научных исследований и внесению вклада в виде результатов моделирования в Единую систему прогнозов (ЕСП). Являясь объединённой системой прогнозирования системы Земля и усвоения соответствующих данных, ЕСП в течение следующих пяти лет позволит осуществить полное сопряжение компонентов системы Земля — океана, атмосферы, суши, морского льда и биосферы — для погодных и климатических применений. ЦИПСЗ будет способствовать этому широкому сотрудничеству посредством разработки облачной среды, репозитория кодов, наблюдений и приборов, а также поддержки и участия сообщества.
 

Канадское партнёрство в области мониторинга атмосферы, океана и льда, сопряжённого прогнозирования и океанического обслуживания

Канадская оперативная сеть сопряжённых систем прогнозирования окружающей среды (КОСССПОС) является результатом сотрудничества трёх федеральных министерств: Министерства рыболовства и океанов (МРО), Министерства окружающей среды и изменения климата Канады и Министерства национальной обороны (МНО). В рамках сети разрабатываются и вводятся в эксплуатацию компьютерные модели, поддерживающие прогресс в области прогнозирования состояния океана и льда. Цель состоит в том, чтобы воспользоваться крупными достижениями в моделировании океана и новыми, работающими в реальном времени глобальными системами океанографических наблюдений для создания продукции, содержащей океанографические прогнозы, и улучшения сезонных и межгодовых прогнозов климата. Эта базовая сеть использует многочисленные возможности сотрудничества с академическими учреждениями, частным сектором и зарубежными учреждениями, такими как компания Mercator Ocean International. 

Пример каскадного подхода в отношении систем прогнозирования, используемого для создания продукции и обслуживания с высоким пространственным и временным разрешением, для залива Фанди, Канада. (Paquin et al., 2019)

Для содействия сотрудничеству с государственными учреждениями и внешними партнёрами КОСССПОС в 2009 году была введена в действие стратегия, включающая в себя три направления:

1. Cбор и распространение результатов измерений физических свойств морской среды для усвоения в моделях с целью улучшения прогнозов, предоставляемых системами прогнозирования окружающей среды (погода, лёд, волны и океан) в Канаде.
2. Разработка сопряжённых систем прогнозирования окружающей среды для улучшения анализов и прогнозов, предоставляемых системами прогнозирования окружающей среды (погода, лёд, волны и океан) в Канаде.
3. Доступность продукции и обслуживания КОСССПОС для конечных пользователей, включая:

a) обеспечение обратной связи с системами мониторинга и прогнозирования с целью их непрерывного совершенствования; 

b) создание возможностей для сотрудничества внутри и вне КОСССПОС посредством разработки и предоставления систем обнаружения, визуализации и доступности данных наблюдений и выходных данных модели.

Текущий комплекс сопряжённых систем прогнозирования атмосферы, океана и льда включает следующие компоненты:

1. Глобальная система прогнозирования льда в океане (ГСПЛО), работающая с разрешением 1/4 градуса³.
2.  Региональная система прогнозирования льда в океане (РСПЛО), работающая с разрешением 1/12 градуса в северной части Тихого океана, Северном Ледовитом океане и Северной Атлантике^4,5.
3. Система прогнозов прибрежного льда в океане (ПСПЛО), работающая с разрешением 1/36 градуса в Северо-Западной Атлантике и северо-восточной части Тихого океана⁶.
4. Система прогнозирования водного цикла Великих озёр (атмосфера, океан, лёд, гидрология), работающая с горизонтальным разрешением 2 км.
5. Гидродинамическое моделирование на реке Святого Лаврентия от г. Монреаль до г. Квебек.

Используемый каскадный подход открывает возможности для продукции и обслуживания в различных пространственных и временных масштабах. В настоящее время ведутся работы по планированию, чтобы обеспечить сопряжение имеющихся систем с системами биогеохимического моделирования. Всеобъемлющая Система систем предоставляет информацию, необходимую для обеспечения возможности электронной навигации.

Примерпродукции для приложения «Электронная навигация», созданный системой 2D - прогнозирования эстуариев реки с высоким разрешением, управляемой Канадским центром метеорологии и прогнозирования окружающей среды H2D2 (Matte et al., 2017)

Проект по субсезонному-сезонному прогнозированию (ССП)

Толщина морского льда, глубина слоя перемешивания и потоки явного тепла в океане на основе контрольного прогноза ЕЦСПП с расширенным сроком действия, выпущенного 2 декабря 2019 года и проверенного 16 января 2020 года (срок действия — 45 дней).

Чтобы преодолеть разрыв между среднесрочными прогнозами погоды и сезонными прогнозами, Всемирная программа метеорологических исследований (ВПМИ) ВМО и Всемирная программа исследований климата (ВПИК)⁷ развернули проект по субсезонному-сезонному прогнозированию (ССП). Основная цель проекта состоит в том, чтобы улучшить успешность прогнозов и понимание субсезонных-сезонных временных масштабов, а также способствовать усвоению прогнозов ССП оперативными центрами и использованию сообществами разработчиков приложений (www.s2sprediction.net). Первый этап ССП проходил с 2013 по 2017 год, а второй — начался в 2018 году и закончится в 2023 году. Одним из направлений исследований в рамках второго этапа является субсезонная-сезонная предсказуемость и прогнозирование состояния океана и морского льда. ССП работает во взаимодействии с рабочими группами по субсезонному-междесятилетнему прогнозированию (ССМДП), по системам наблюдений и усвоения данных (СНУД) и по предсказуемости, динамике, ансамблевому прогнозированию (ПДАП) для содействия улучшению субсезонных прогнозов посредством более эффективной инициализации состояния океана/морского льда и описания ключевых процессов в океане и морском льде, что обеспечивают предсказуемость в субсезонных временных масштабах.

Основным достижением первого этапа ССП стало создание в 2015 году базы данных ССП, содержащей субсезонные прогнозы в режиме, близком к реальному времени (до 60 дней), и скорректированные прогнозы (которые иногда называют ретроспективными прогнозами) из 11 оперативных центров. Большинство моделей ССП являются сопряжёнными моделями океана/морского льда/ атмосферы, а список параметров, имеющихся в базе данных ССП, всегда включал температуру поверхности моря и ледовый покров.

С января 2020 года в базу данных ССП были добавлены девять новых параметров океана и морского льда, включая глубину изотермы 20 °C, толщину слоя перемешивания, солёность и потенциальную температуру в верхнем слое глубиной 300 м, поверхностные течения, солёность, высоту морской поверхности и толщину морского льда. Доступность этого обширного набора переменных параметров океана и морского льда существенно увеличивает возможности базы данных для исследования сопряжённых систем ССП и решения ключевых научных вопросов. В настоящее время новые переменные параметры доступны от четырёх моделей — Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды (ЕЦСПП), Министерства окружающей среды и изменения климата Канады, Китайского метеорологического управления (КМУ) и МетеоФранс — на три недели позже прогнозов в реальном времени (с января 2020 года) и соответствующих скорректированных прогнозов, которые производятся в режиме, близком к реальному времени. В наступающем году новые переменные можно будет получить от расширенного набора моделей ССП.

В качестве примера того, что уже делается, в работе (Zampieri et al., 2018) произведена оценка успешности прогнозов нескольких моделей на основе базы данных ССП и выявлено, что некоторые модели демонстрируют значительную успешность в прогнозировании морского ледяного покрова на период до месяца. Этот важный результат предполагает, что современные субсезонные-сезонные прогнозы могут быть потенциально полезны для применения в таких областях, как выбор судоходных маршрутов в арктических регионах. Доступность новых океанских переменных должна послужить стимулом к новым научным исследованиям в области предсказуемости погоды в океане со значительными воздействиями и последствиями, например волн тепла, которые дадут представление о возможном использовании этих субсезонных прогнозов в таких областях, как рыболовство. На снимке ниже показан пример возможного использования этих данных об океане для подготовки морских метеорологических карт. В этом примере аномалии уровня моря, связанные с климатом, прогнозируются с заблаговременностью от 3 до 4 недель.

Кроме того, благодаря новым параметрам база данных ССП станет в большей степени пригодной для более глубокого понимания взаимодействий воздуха, льда и океана на границе морского льда, как показано ниже. Это также поможет диагностировать эволюцию дрейфа океана с учётом заблаговременности прогнозов ССП.

Чтобы координировать эту деятельность, в проект по ССП на втором этапе включён подпроект по океану, в рамках которого будет разработан протокол для скоординированных тематических исследований, которые могут быть проведены центрами, выполняющими субсезонное-сезонное прогнозирование конкретных экстремальных явлений в океане и взаимодействий атмосферы и океана, например, ССП возникновения ЭНЮК. Примеры могут включать исследование предсказуемости впечатляющего явления обесцвечивания кораллов в 2017 году и внутрисезонного взаимодействия атмосферы и океана в момент возникновения явления Эль-Ниньо 2015/2016 годов.
 

Организация международного прогнозирования состояния океана 

В литературе последних лет^8,9 были документально подтверждены сильные стороны подхода, основанного на цикле создания стоимости (Day, 1999), в рамках передачи технологий, позволяющих переходить от исследований к оперативной деятельности и обслуживанию. В частности, Ruti et al. (2020) предоставляют описание этого цикла в текущем метеорологическом контексте и в качестве ключевого компонента для реализации подхода к комплексному изучению системы Земля. Такая цепочка создания стоимости связывает производство и предоставление этого обслуживания с решениями пользователей, а также с результатами и оценками, вытекающими из этих решений. Отзывы пользователей затем передаются в подразделение по исследованиям и оперативной деятельности с целью дальнейшего улучшения обслуживания. Схожее мышление имеет место и в других дисциплинах.

На приведённой ниже схеме (взято из Schilleretal, 2019) показана морская цепочка создания стоимости. Существуют две ключевые международные инициативы, которые поддерживают деятельность по прогнозированию состояния океана: OceanPredict и ГСНО. Более двух десятилетий программа OceanPredict и её предшественники были сосредоточены на исследованиях и оперативном осуществлении систем прогнозирования океана. ГСНО обеспечивает данные наблюдений за океаном для инициализации и проверки оправдываемости прогнозов состояния океана благодаря сотрудничеству между ВМО и МОК.
 

OceanPredict

В конце 1990-х годов был развёрнут международный Глобальный эксперимент по усвоению данных об океане (ГЭУДО), чтобы i) продемонстрировать осуществимость и полезность мониторинга и прогнозирования океана в ежедневном-еженедельном масштабе времени и ii) внести вклад в создание глобальной оперативной океанографической инфраструктуры (Smith, Lefebvre, 1997; Schiller et al., 2018). Опираясь на достигнутый успех, в 2009 году была создана программа ГЭУДО OceanView (Bell et al., 2009) для определения, мониторинга и поддержки деятельности, направленной на координацию и интеграцию исследований, связанных с мультимасштабными и мультидисциплинарными системами анализа и прогнозирования состояния океана.

В 2019 году ГЭУДО OceanView была преобразована в OceanPredict, которая продолжает расширять свою деятельность с дополнительным акцентом на прогнозирование состояния океана в рамках более широкой сети международных инициатив, связанных с оперативной океанографией. В этой связи OceanPredict развивает тесные партнёрские отношения с международными учреждениями, включая ВМО, МОК, ГСНО и Blue Planet ГЕО.

OceanPredict поддерживают 14 стран. Однако принять участие в работе OceanPredict и её целевых групп приглашаются научно-технические работники из любой страны. В симпозиуме OceanPredict19 приняли участие представители 41 страны (Vinaychandran et al., 2020), включая учёных из центров оперативного прогнозирования, государственных учреждений, академических кругов и частных консорциумов/компаний.

Большинство групп OceanPredict неразрывно связаны с центрами численных прогнозов погоды и окружающей среды, такими как НУОА, Министерство окружающей среды и изменения климата Канады, МетеоФранс и Японское метеорологическое агентство, или являются их частью. Фактически семь из девяти мировых метеорологических центров (ММЦ) ВМО являются членами OceanPredict. Кроме того, во всех центрах прогнозирования есть сотрудники из академических кругов, которые поддерживают некоторые из выполняемых исследований. OceanPredict координирует исследования и разработки в области усвоения данных об океане, оценки океанских систем, прогнозирования морских экосистем, прогнозирования прибрежных зон океанов, сопряжённых систем прогнозирования атмосферы и океана, а также взаимных сравнений и проверки систем прогнозирования океана.

К сотрудничеству по этим темам привлечены академические исследователи, исследователи из учреждений оперативного прогнозирования и группы разработчиков, которые поддерживают разработку, оперативную деятельность и распространение информации в учреждениях прогнозирования. Благодаря международным семинарам, проводимым под руководством специальной научной группы OceanPredict объединяет различные сообщества для развития науки и применений прогнозирования состояния океана. Ведущие эксперты сообщества ВМО выступают в качестве основных докладчиков, а некоторые семинары являются совместными мероприятиями с партнёрами ВМО, такими как ЕЦСПП. Научная группа OceanPredict преследует три основные цели:

• оценка работы системы прогнозирования и её компонентов в сочетании с улучшением компонентов;
• инициативы, направленные на использование систем прогнозирования для получения большей общественной пользы;
• оценка зависимости систем прогнозирования и социальных выгод от компонентов системы наблюдения.
   

Перспективы

По мере развития моделей прогноза океана будет становиться всё более важным определение и прогнозирование того, какие типы явлений будут предсказуемы с помощью систем прогнозирования океана и сопряжённых систем прогнозирования атмосферы и океана с достаточной точностью и уровнем доверия.

Одним из аспектов, которые необходимо учитывать, является способность систем и пользователей использовать прогностическую продукцию. Хорошим примером этого является электронная навигация для поддержки безопасности на море, где новые стандарты файлов и методологии позволят судовым встроенным в мосты или переносным навигационным системам в полной мере использовать численные выходные данные систем прогнозирования состояния океана и атмосферы в реальном времени. Это позволит использовать расширенное программное обеспечение для планирования маршрутов судов, а также численные инженерные модели (виртуальные копии) судов, преобразуя информацию с прогнозом окружающей среды в информацию о воздействии на судно. Важно отметить, что для большинства видов деятельности на море пользователю нужна полная и понятная информация о морской среде и её прогнозы, что может включать такие переменные, как ветер, волны, ледовые условия, температура воздуха, атмосферное давление, уровень моря, температура и солёность воды.
 

Связь с метеорологией и ВМО

Для продвижения вперёд необходимо укреплять связь между оперативной океанографией и оперативной метеорологией. В частности, полная цепочка добавления стоимости в оперативной океанографии потребует как международных, так и национальных рамок для удовлетворения в полной мере интересов конечных пользователей. Сообщество ВМО уже осуществляет серьёзное взаимодействие с океанографическими группами, о чём свидетельствует растущее использование Информационной системы ВМО (ИСВ) для наблюдений за океаном. В дальнейшем, принимая во внимание, что большинство центров прогнозирования погоды включают прогнозирование состояния океана в свою деятельность, важно будет укрепить взаимосвязь между погодой и океаном, начиная с наблюдений и заканчивая прогнозированием и конечным использованием.
 

Эффективное использование систем ВМО в прогнозировании состояния океана в будущем

ВМО располагает хорошо развитыми системами, охватывающими всю цепочку создания стоимости для метеорологического обслуживания, которая развивается для удовлетворения потребностей, обеспечивая при этом возможность появления новых работ и потоков информации по всей цепочке создания стоимости в отношении системы Земля. В этом разделе рассматриваются три из этих систем в отношении цепочки создания стоимости для прогнозирования состояния океана. 

Рисунок 4. Охват данными за счёт трёх основных компонентов Глобальной системы наблюдений (ГСН) (т. е. судов, дрейфующих буёв и заякоренных буёв) на основе информации, полученной метеорологической службой Франции через ГСТ в 2018 году (для подробной информации о символах смотри условные обозначения). (Заимствовано из Front. Mar. Sci., 30 August 2019 | https://doi.org/10.3389/ fmars.2019.00419 )

ИГСНВ

Интегрированная глобальная система наблюдений ВМО (ИГСНВ) обеспечивает всеобъемлющую основу для интеграции различных источников наблюдений, которые вносят вклад в области применения ВМО. В рамках регулярного обзора потребностей (РОП) ВМО соизмеряются потребности пользователей в наблюдениях с возможностями систем наблюдений, чтобы определить, как должна развиваться структура ИГСНВ. Наряду с изучением воздействий для выявления пробелов в наблюдениях, РОП используется для определения приоритетов в развитии глобальных систем наблюдений и для рекомендации основных мероприятий Членам ВМО и другим важным программам по устранению пробелов.

Структура ИГСНВ ВМО обеспечивает систематический подход, который может позволить группам прогнозирования состояния океана проводить систематические оценки наблюдаемых воздействий в сопоставлении с прогнозами, чтобы оценивать эффективность по всей цепочке создания стоимости для прогнозирования океана. В частности, осуществление процесса регулярного обзора в части прогнозов состояния океана позволит лучше связать всю океанографическую цепочку создания стоимости и гарантировать, что инвестиции в наблюдения за океаном обеспечат оптимальное соотношение цены и качества в части затрат на разработку более эффективного информационного обслуживания по прогнозированию океана.

ИСВ

Информационная система ВМО (ИСВ) объединяет НМГС и регионы для обмена и управления данными и обработки данных. В настоящее время большая часть данных наблюдений за океаном, используемых в системах прогнозирования в режиме, близком к реальному времени, передаётся через Глобальную систему телесвязи (ГСТ) ВМО (см. рисунок выше, где показаны данные наблюдений, переданных через ГСТ в 2018 году).

ГСТ также оказалась эффективным каналом для предупреждений о цунами, поскольку доставляет сообщения с задержкой, которая в большинстве случаев составляет менее двух минут. ВМО развивает ИСВ/ГСТ, чтобы использовать новые технологии для обмена данными, и ИСВ 2.0 предоставит усовершенствованные средства для подписки на потоки данных и эффективные способы доставки предупреждений.

В будущем включение данных об океане в ИСВ принесёт много дивидендов. ИСВ обеспечивает глобальную инфраструктуру для обмена данными и информацией между всеми НМГС и включает давно зарекомендовавшую себя ГСТ для доставки данных наблюдений в реальном времени (и всё чаще тех метаданных, которые необходимы для наилучшего использования данных в реальном времени), необходимых для их оперативных потребностей. Несмотря на то, что ГСТ остаётся общепринятым способом глобального обмена данными между НМГС и удовлетворяет их оперативные потребности и применения, академическое сообщество и общественность, несомненно, нуждаются в более рациональной и консолидированной архитектуре управления данными, которая должна обеспечивать доступ к данным и метаданным в общем формате.

ГСОДП

Центры ГСОДП, ответственные за прогнозирование погоды с заблаговременностью до 30 дней (вверху) и за долгосрочное прогнозирование и прогнозирование климата (внизу)

Глобальная система обработки данных и прогнозирования ВМО (ГСОДП) позволяет всем НМГС использовать достижения в области численного прогнозирования погоды (ЧПП), обеспечивая основу для обмена данными, связанными с оперативной метеорологией, гидрологией, океанографией и климатологией. ГСОДП — это каскадный процесс, который скоординированным образом позволяет передать возможности ЧПП, имеющиеся у глобальных центров (ММЦ) ВМО, для использования региональными центрами (РСМЦ), а затем НМГС. РСМЦ позволяют предоставлять унифицированное обслуживание, в том числе по морским и океанским вопросам. Более 40 РСМЦ несут ответственность за поддержку обслуживания, связанного с океаном, включая морскую метеорологию, прогнозирование океанских волн, суровые погодные условия и тропические циклоны.

Как отмечалось ранее, семь из девяти назначенных ММЦ имеют системы прогнозирования состояния океана, включённые в инициативу OceanPredict, которые работают в режимах сопряжённого или несопряжённого прогнозирования в рамках их повседневной работы. Включение систем прогнозирования океана в такую структуру имеет много преимуществ, включая интеграцию научных достижений в прогнозирование состояния океана и применение новых систем наблюдений (например ПСТО) в оперативных системах прогнозирования состояния океана/окружающей среды.

Такое сотрудничество в области погоды и океана уже осуществляется, о чём свидетельствует предстоящее совещание ЕЦСПП и OceanPredict по усвоению данных в мае 2021 года. Это сотрудничество должно развиваться. Ожидается, что в рамках Десятилетия науки об океане в интересах устойчивого развития ООН можно будет создать основу для всей оперативной океанографической цепочки создания стоимости, аналогичной структуре ГСОДП. К концу Десятилетия предусматривается построить полностью интегрированную цепочку создания стоимости для прогнозирования морской среды (оперативная океанография и метеорология), однако остаётся открытым вопрос: как следует построить её океанический компонент? Возможны следующие варианты: сначала построить полную структуру цепочки создания стоимости для океана или встроить океанические компоненты в существующие элементы метеорологической цепочки создания стоимости, сформированные ВМО.

В дальнейшем необходимо укреплять связь между оперативной океанографией и оперативной метеорологией. В частности, полная цепочка создания стоимости в оперативной океанографии потребует как международных, так и национальных структур для удовлетворения в полной мере интересов конечных пользователей. Уже существует значительное взаимодействие с океанографическими группами ВМО, о чём свидетельствует использование ГСТ для наблюдений за океаном. В дальнейшем, несмотря на то, что большинство центров прогнозирования погоды включают прогнозирование состояния океана в свою деятельность, важно будет укрепить взаимосвязь погоды и океана, начиная с наблюдений и заканчивая прогнозированием и конечным использованием продукции и обслуживания.
 

Партнёрские связи на будущее  

Видение ВМО, как указано в Стратегическом оперативном плане ВМО на 2020–2023 годы, заключается в том, чтобы «увидеть мир, в котором все страны, особенно наиболее уязвимые, будут более устойчивыми к социально-экономическим последствиям экстремальных погодных, климатических, гидрологических и других явлений, связанных с окружающей средой, и поддержать их устойчивое развитие за счёт предоставления наилучшего обслуживания, будь то на суше, на море или в воздухе». Для достижения этого ВМО использует подход на основе системы Земля, который обеспечит доступ и использование результатов численного анализа и прогнозирования системы Земля во всех временных и пространственных масштабах на основе бесшовной ГСОДП ВМО.

Чтобы постоянно улучшать продукцию и обслуживание, все ключевые компоненты системы Земля должны быть интегрированы в бесшовные системы усвоения данных и прогнозирования с оптимизированным использованием ИГСН ВМО, ИСВ версии 2.0 и бесшовной ГСОДП ВМО. В сообществе ВМО реформа ВМО обеспечила основу для интеграции дисциплин, необходимых для достижения этой цели. Она также обеспечивает механизмы для более эффективного партнёрства с соответствующими ключевыми национальными и международными организациями, академическими учреждениями и частным сектором. Одна отдельно взятая организация не может достичь этого самостоятельно, и ресурсы ограничены настолько, что воспроизведение существующей инфраструктуры будет экономически невозможно. Кроме того, затраты на необходимые средства высокопроизводительных вычислений, хранения и телекоммуникации, вероятно, превысят то, что могут себе позволить отдельные страны.

Поэтому очень важны партнёрские связи между государственным, академическим и частным секторами. Использование существующей глобальной, региональной и национальной инфраструктуры позволит всем сообществам получать пользу от использования имеющейся информации в своих системах принятия решений. ВМО и её партнёры твёрдо убеждены в том, что вместе мы решим крупные проблемы, стоящие перед человечеством сегодня, как это подчёркнуто в Целях в области устойчивого развития Организации Объединённых Наций, и будем лучше подготовлены к нахождению решений для проблем, которые появятся в будущем.